实验用通风机性能监测系统研发.pdf

．I．．．S．．．．S．．．．．N． ． ． ． ． ． ． ． ．1． ． ． ．0． ． ．．0． ． ． ．2． ． ． ． ． -- ． ． ． ． ． ． ． ．4． ． ． ．9． ． ． 5 6 CN1 1 2 0 3 4 ／ T 实验技术与管理 Ex p e r i m e nt a l Te c h n ol o g y a n d M a na g e me nt 第 3 3卷第 3期2 0 1 6年 3月 Vo I ． 3 3 No ． 3 M a r ．2 O 1 6 实验用通风机性能监测系统研发 王启 立 ，窦 东 阳，李 小川 ，何 京敏 中国矿业大学 化工学 院，江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 摘 要 为增强本科 生的工程 实践背景和创新精神 ， 培养学生综合 利用所 学知识 解决实 际 问题 的能力 ， 促进 高校实验教学改革 ， 设计 了以小型对旋轴流通风机为实验对 象 ， 以可编程控 制器和组 态软件为核 心的通风 机 性能监测与控制系统 ， 为过程控制专业和 自动化专业实验教学提供 多功能平 台 ， 获得较好效果 。 关键词 通 风机 ； 性能监测 ；实验教学 ； 组 态软件 ； 可编程控制器 中图分类号 TP 2 7 3 ； G4 8 4 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 2 4 9 5 6 2 0 1 6 3 - 0 0 7 8 0 4 RD o f p e rf o r ma n c e m o n i t o ri n g s y s t e m f o r e x p e ri me n t a l f a n s W a n g Qi l i ，Do u Do n g y a n g，Li Xi a o c h u a n，He J i n g mi n S c h o o l o f Ch e mi c a l En g i n e e r i n g a n d Te c h n o l o g y ，C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y ，Xu z h o u，2 2 1 1 1 6 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o e n h a n c e t h e u n d e r g r a d u a t e s ’e n g i n e e r i n g p r a c t i c a l b a c k g r o u n d a n d i n n o v a t i v e s p i r i t ，t r a i n t h e a b i l i t y t o s o l v e p r a c t i c a l p r o b l e ms b y t h e i r c o mp r e h e n s i v e k n o wl e d g e ， a n d p r o mo t e t h e e x p e r i me n t a l t e a c h i n g r e f o r m i n c o l l e g e s a n d u n i v e r s i t i e s ，a p e r f o r ma n c e mo n i t o r i n g s y s t e m o f t h e s ma l l f a n i s d e v e l o p e d ． Ba s e d o n t h e s ma l l a x i a l f a n ， p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r a n d c o n f i g u r a t i o n s o f t wa r e ，t h i s s y s t e m c a n b e u s e d i n t h e e x p e r i me n t a 1 t e a c h i n g。 wh i c h p r o v i d e s a mu l t i f u n c t i 0 n a 1 e x p e r i me n t a l p l a t f o r m f o r t h e u n d e r g r a d u a t e s o f t h e Pr o c e s s Co n t r o l s p e c i a l t y a n d Au t o ma t i o n s p e c i a l t y ． Co n s e q u e n t l y，g o o d r e s u l t s a r e a c h i e v e d i n e x p e r i me n t a l t e a c h i n g ． Ke y w o r d s f a n ；p e r f o r ma n c e mo n i t o r i n g；e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g；c o n f i g u r a t i o n s o f t wa r e ；PL C 近年来 ， 随着高等教育的迅速发展， 尤其是工程教 育认证在 国内的全面开展， 高校培养的本科人才与市 场要求还有差距 ， 重要原 因之一就是高校 的理论教学 和实验、 实践训练脱节 。通过大量调研发现 ， 在实验教 学和实践训 练环节存 在一些 问题 ， 比如 实验设备 陈 旧， 没有工程背景 ， 远远 落后于生产实践 中的现代要 求 ； 自制实验设备少 ， 大多为教仪厂生产 ， 功能单一， 只 能针对一门课程开设 ； 验证性实验设备 多， 综 合设计 、 研究性实验设备少 ， 不能支撑学生开展课外创新实践 训练 。结果就是在实验与实践教学环节 中， 学生为了 实验任务而实验 ， 没有主动性和创新性 ， 无法培养对工 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 2 1 修改 日期 2 0 1 5 一 1 0 2 1 基金项 目 中 国矿 业 大 学教 改 项 目 2 0 1 4 YB 2 3 ； 江 苏 省 教 改 项 目 2 0 1 3 J s J G0 2 4 ； 中国矿业大学“ 矿物加 工工程” 专业主 干课 国家级教学 团队建设基金支持 ； 中 国矿 业大学 “ 矿物加 工工 程” 国家特色专业建设基金支持 作者简 介 王启立 1 9 8 0 一 ， 男 ， 四川资 阳， 博士 ， 副教授 ， 从事过程装备 与过程控制工程 的教学和科研工作 ． 程实践的兴趣 ，导致学 生走上工作 岗位后动手 能力 差 ， 无法有效地综合利用 自己学 习的知识解决生产实 践 中的实际 问题 。国 内已有高校 已经认识 到这些 问 题 ， 在改革实验教学体系 ， 改进实验教学方法方面做了 大量探索与实践 ， 获得了很多有益 的成效[ I - 7 ] 。 在长期从事教学工作 和指导大学生 开展各级别 的课外实践创新训 练过程中 ， 我们发 现 ， 培养学生 工 程实践兴趣 和实践 能力 ， 最有 效 的方 式就是 自制 仪 器设备 ， 通过开发贴 近生产 实际的研究型实验系统 ， 可 以有效地融合 本专业 的多 门课程 知识 ， 锻炼 学生 综合利用所 学知识 解决 实际 问题 的能力 。比如 ， 在 电气 、 过程控 制等专 业 的实 验教 学 中增 加 了设 备工 程应用背景 ， 培养 学生利 用所 学 的机 械 、 电气 、 仪表 及 自动化相关 学科 知识 ， 解 决 实践 中的具体 应用 问 题[ 8 。本文 以生产实践 中的典 型设 备“ 通风机 ” 为 例 ， 设计开发一套 实验 室用通 风机性 能监测 和控 制 系统 ， 用于本科生的实 验教学和课 外实践创新活 动 ， 锻炼学生的实践和创新能力 。 王启立 ， 等 实验 用通风机性能监测系统研发 7 9 1 系统功能及 总体方 案 以某小型轴流对旋通 风机为研究对象 ， 模拟其在 煤矿及化工领域生产实践中的运行情况 ， 监测与控制 要求与生产实践中的要求完全一致。为了锻炼学生综 合利用机械 、 电气、 仪表 自动化等多学科知识 ， 该系统 设计采用模块化思想 。该 系统 由测量传感器、 信息采 集 、 信号处理 、 界面组态、 控制等多个 功能块组成 。设 计包括方案设计 、 硬件设计 、 人机界面组态设计 、 扩展 功能设计 ， 总体方案见图 1 。实现功能如下 1 实现通风机运行过程参数检测与控制功能的 硬件系统构建 ， 模拟通风机在煤矿及化工厂运行情况 ； 2 实现通风机运行参数信号处理与转换 ， 主要 参数包括温度 、 振动 、 电量 、 压力、 流量等； 3 实现通风机运行过程的人机界面组态 、 显示 、 存储、 报警等功能； 4 实现通风机运行过程典型控制功能 ； 5 预留数据传输 、 网络共享 、 硬件扩展等接 口和 功能 ， 为多样化的创新设计提供平 台支撑。 r 一一 ⋯_ - r ⋯。 ‘ 一 一 ⋯。 一 ⋯。。 一 ⋯⋯。 。 一 ⋯ 。 一 一 一 。 ’ 一 一 __ 1 对 象 测 量 i 转 换 显 示 - t温 度 传 感 器I- P L C 站 通 -t压 力 传 感 器 I - -J A I模 块 J 上 风 l I 机 I 位 计 - t振 动 传 感 器 } -_ I 通 信 模 块 卜 _ 算 电 一 电 量 模 块 t- l l 机 控 { I 柜 - t中 间 继 电 器 I- _{ D 0 模 块 I I I 图 1实验 系统总体方案 站 的模块实现信号采集。同样 ， 配置速度传感器 1 个 ， 实现流速测量。为了实 时监测旋转机械振动情况， 为 故障诊断提供依据 ， 配置 4个振动传感器 ， 分别测量风 机前后轴承座在水平 、 垂直方向的振动信号， 通过信号 采集模块接入上级系统。电量参数包括电机的三相 电 压 、 二相 电流、 有功及无功功率 、 功率因数 ， 通过综合电 量测量模块实现上述参数测量 ， 每台电机只需 1个测 量模块即可实现 。 该系统信号采集与转换采用西 门子 S 7 3 0 0系列 可编程控制器 P L C 。根据前述 各类测 量传感器选 型结果 ， 考虑信号类型和冗余 ， 配置相应的 P L C信号 模块 。通风机 的启停控制通过 P L C的数字 量输 出模 块控制中间继 电器 ， 从 而实现相 关 电路 的分合 闸来 实现通 风 机 的启停 。P L C与上 位监 控计 算 机 的通 信 ， 可采用 MP I 通信 或 以太 网通信 方式实 现 。MP I 方式 受 通 信 距 离 限制 ， 也 不 能 实 现 网 络 间通 信 ； TC P ／ I P通信可 以克服 上述缺 点 。系统 配置 以太 网 通信模块 ， 实现 P L C站 与上位监控计算 机通信 。系 统主要硬件配置见表 1 。 表 1系统硬件配置 2 系统硬件设 计 3 系统软件设计 该系统硬件设计主要包括传感 器选 型设计 、 信号 采集和转换设计 、 控制元件选型设计 、 监控电脑及辅助 器件选型设计 。根据实验教学需要和当前工控领域现 状 ， 选型过程遵从 以下几个原则 一是满足系统技术要 求 ； 二是选择当前主流 、 高性价 比产品； 三是通用性好 ， 有利于扩展和改进[ 1 ] 。 该系统需要测量 电机 的轴承温 度与定子温度 ， 测 量传感器 由厂家在出厂前预埋 ， 采用工业 中广泛应用 的 P t l 0 0温度传感器 ， 系统需配置相应 的采集 模块 。 风机压力测量包括静压和动压 2个参数 ， 需要 配置 2 个压力传感器 。实验室环境较好 ， 无需设计除尘、 除湿 环节， 直接通过压力传感器采集压力信号， 再 由P L C 软件编程 主要 实现数 据采集 与转 换 、 上位 电脑 监控界面组态 、 P L C站与上 位 电脑通信 。因此 ， 该 系 统软件设计主要包括 3个方面 一是 P L C程序设计 ， 二是人机界 面 HMI 设计 ， 三是 数据交 换和扩 展功 能设计 。该系统采用西 门子 系列 P L C作 为控制器 ， P L C编程采用 S t e p 7 V5 ． 5实现 ， 上位人机界 面基于 西 门子组 态软件 Wi n C C V6 ． 2开发 ， 监测 主界 面见 图 2 。 P L C编程实现 2个功能 一是输入输出信号数据 处理 ， 二是与上位组态软件通信。编程 中所使用 的功 能块及数据块见表 2 。 王启立 ， 等 实验用通风机性 能监 测系统研发 8 1 1 该实验系统涵盖多专业、 多学科交叉 知识 ， 功 能强大 ， 远远超过 了同类教仪产 品。根据实验 目的不 同 ， 该系统可以开展通风机性能测试实验 、 可编程控制 器实验、 振动信号测试实验 ， 稍加改进可开展流量调节 实验 ， 既包括 一般验证性实验 ， 又包括综合 设计性实 验 ， 可为动力工程 、 电气工程、 过程控制专业 的流体机 械、 泵与风机 、 控制工程基础、 可编程控制 器原理及应 用、 仪器仪表与 自动化等多门课程服务 。 2 该实验系统采用模块化设计 ， 可灵 活改进 和 替换 ， 在不 同方面训练 学生能力 。在信号 采集 、 P L C 编程 、 HMI 界面组态环节 ， 完全可以变换对象 ， 提 出不 同要求 ， 针对学生某一方面的能力进行重点训练 。 3 该实验 系统具备灵活 的扩展功能 ， 可灵 活模 拟工程实际， 开展工程教育训练和研究 。对流体介质 、 取压环节进行改进 ， 即可模拟煤矿井下气流 、 化工厂多 相流气体 、 隧道气体及工厂含尘气流的输送过程 ， 贴近 工程实际； 开展通风机性能调节 、 噪声治理 、 故障诊断 等方面的研究工作。 4 该实验 系统既为本科实验教学服务 ， 也 为科 研训练和课外实践创新 活动提供支撑 。近 3年来 ， 该 实验系统为本科生的 1 0 余项 国家级、 省级和校级实践 创新课题提供了训练平台， 覆盖流体机械、 仪表与传感 器 、 自动化控制 、 节能降耗等领域 ， 学生在实践能力 、 科 技论文撰写 、 专利申请方面获得了显著 的进步。 5 结语 通过 自主开发研制贴近生产实践 、 涵盖多学科的 综合型实验教学系统 ， 并应用于本科实践教学和课外 实践创新训练环节 ， 对加强学生的工程观念 、 锻炼学生 的实践创新能力和解决实际问题的能力都有较大的促 进作用 ， 该实验系统有效地将理论教学与实验教学相 互衔接了起来 ， 有利于提高实验教学质量 。 参考文献 Re f e r e n c e s [ 1 ]黄炳辉． 教学与科研融合视 角下 的实验室 内涵建设探 析[ 刀．实验 技术与管理 ， 2 0 1 2 ， 2 9 9 1 5 1 8 ． [ 2 ]方二喜 ， 陈虞苏 ， 金慧敏． 校企合作共建 实验室 ， 探索 人才培养新 模 式 [ J ] ． 实验科 学与技 术， 2 0 1 0 ， 8 4 1 5 8 1 6 0 ． [ 3 ]解丽芳 ， 林宏辉． 利用基础实验教学平 台普及 教研结合 [ J ] ． 实 验技 术 与管理 ， 2 0 1 2 ， 2 9 1 1 1 5 1 - 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